巧用力傳感器研究滑動摩擦力

聶應(yīng)才 聶辰熙

(1. 江西省南豐一中,江西 南豐 344500； 2. 南昌大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 南昌 330031)

“滑動摩擦力”為高中物理新課標(biāo)共同必修模塊的物理1的“相互作用與運動規(guī)律”部分,對應(yīng)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn):通過實驗認(rèn)識滑動摩擦、靜摩擦的規(guī)律,能用動摩擦因數(shù)計算摩擦力．它是人教版必修1第3章“相互作用”第3節(jié)“摩擦力”的內(nèi)容．它是本章節(jié)的重點,又是以后學(xué)習(xí)牛頓運動定律、物體平衡、動量、能量等知識的基礎(chǔ)．

傳統(tǒng)探究影響滑動摩擦力大小的因素一般是手拉著彈簧測力計牽引木塊在木板上勻速運動,讓學(xué)生觀察測力計示數(shù),根據(jù)二力平衡得到摩擦力大小．但在實驗的過程中，我們發(fā)現(xiàn)了以下問題: (1) 由于測力計指針和刻度很小，可見性差; (2) 手拉著測力計牽引物塊“勻速”滑動,但在實際操作中很難做到勻速,因此測力計的讀數(shù)忽大忽小、不穩(wěn)定,不容易觀察; (3) 即使物塊做勻速運動,由于彈簧測力計也在運動.讀數(shù)時視線要隨著彈簧測力計移動,要準(zhǔn)確讀數(shù)很難,測出的滑動摩擦力誤差較大,難以探究出滑動摩擦力和壓力之間的定量關(guān)系．有人就對它的裝置進行了改進,可是與滑動摩擦力有關(guān)的問題還有“相對運動”、“壓力的理解”和“μ值的含義”等,這一系列問題都會造成學(xué)生學(xué)習(xí)困難．筆者嘗試用力傳感器研究滑動摩擦力,有效地解決了這些疑難．

1 實驗原理、裝置及器材

實驗原理:摩擦力的測量原理根據(jù)平衡法,即使物體受到的摩擦力與拉力平衡,對拉力進行測量．

實驗裝置:如圖1所示,通過在木塊上添減砝碼來改變木塊對下面木板的壓力大小,用細(xì)線將木塊與力傳感器連接起來,固定在靜止的鐵架臺上,手拉木板,拉木板時就不需要它勻速運動了．

實驗儀器:除傳感器和需要的相關(guān)軟件、電腦之外,還需要木塊、繩子、長木板、4個砝碼(每個200 g)、長布、鐵絲、隔音棉等．

圖1 實驗裝置

2 滑動摩擦力公式的探究

由圖像可知,滑動摩擦力與壓力成正比即f∝FN,寫成等式為f=μFN,μ為直線的斜率,即動摩擦因數(shù)．

圖2 木塊—木板力波形圖

表1 材料: 木—木

圖3 木—木f-FN圖像

3 μ值的探究

動摩擦因數(shù)μ會跟什么因素有關(guān)?

把木塊下面的木板換成布,重新做實驗,力波形圖如圖4所示,數(shù)據(jù)讀取如表2,可見與接觸情況如接觸材料有關(guān),如果換成更粗糙的布,就能得到與接觸粗糙程度有關(guān)．

圖4 木塊—棉布力波形圖

表2 材料:木—布

從圖2和圖4中,不難發(fā)現(xiàn),滑動過程中,木塊的滑動摩擦力波形不是一條平行時間軸的直線而是上下有波動的,因為木塊在木板或棉布上滑動過程中,它們接觸面的平整度難以達到一致,動摩擦因數(shù)μ略有差異,所以實際平整度完全一樣在中學(xué)實驗室或生活中是難以做到的,中學(xué)弱化了差異而認(rèn)為它們的動摩擦因數(shù)μ各處相等．

將木塊放在棉布上,木塊先側(cè)放,拉動棉布,后平放在棉布上,拉動棉布,接著還是平放在棉布上,但較快地拉動棉布,它們力波形圖為圖5,3次滑動摩擦力幾乎都為0.65 N,壓力皆為1.61 N,所以動摩擦因數(shù)μ一樣,μ與接觸面積和物體運動狀態(tài)無關(guān)．

圖5 3種不同方式的力波形圖

4 滑動摩擦力方向的探究

圖6 不同方向拉棉布

照圖1把連接木塊和力傳感器的線改成鐵絲,把木塊放在棉布上,當(dāng)布向里拉棉布(靠近傳感器),力顯示為負(fù)值,當(dāng)向外拉(遠離傳感器),力顯示為正值,如圖6所示．木塊兩次都是處于靜止?fàn)顟B(tài),但它相對棉布的運動方向不同造成了摩擦力的方向不同．布向外拉,木塊相對棉布是向里,受到的摩擦力向前;棉布向里拉,木塊相對棉布是向外,受到的摩擦力向里壓力傳感器,力顯示就為負(fù)值了．滑動摩擦力方向不是取決于物體運動,而是物體相對接觸物體的運動．

5 壓力的探究

前面探究中,我們都是把木塊放在某物體上,木塊(砝碼)重力產(chǎn)生壓力,它們值相等,難道壓力與重力息息相關(guān)?

把圖1裝置的力傳感器豎直固定在鐵架臺上,下面豎直地吊著木塊,把隔音棉豎直地挨著木塊向下運動甚至放手讓隔音棉自由下落,力為不變的1.80 N,木塊與隔音棉間沒有滑動摩擦力,因為它們之間沒有壓力;當(dāng)用手指壓著木塊,再豎直地向下拉動隔音棉,力立即增加,多了滑動摩擦力,整體過程力波形圖見圖7．壓力和重力不是一回事,壓力可以由重力產(chǎn)生也可以大小等于重力,其實也能用與重力毫無關(guān)系的其他方式產(chǎn)生壓力．

圖7 不同壓力下的力波形圖

6 最大靜摩擦力與滑動摩擦力的關(guān)系

從圖2木塊與木板某具體壓力下如有4個砝碼那段摩擦力波形圖我們發(fā)現(xiàn):開始拉木板,曲線就開始上升,趨近于直線的這段就是靜摩擦力,最高點為木塊剛開始運動時的摩擦力即最大靜摩擦力;接著木板運動了,木塊受到滑動摩擦力,其值減小,還顯現(xiàn)上下波動是因為木塊與木板間的平整度沒能各處一致,但是可以得出最大靜摩擦要大于滑動摩擦,也就是說,物體從靜止到滑動瞬間,摩擦力發(fā)生了突變,由最大靜摩擦力突變?yōu)榛瑒幽Σ亮?摩擦力大小減小了點．